JPH0327565A - 容量絶縁膜の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は容量絶縁膜の形或方法に関し、特に容量絶縁膜
としての酸化タンタル膜を形或する方法に関する。

〔従来の技術〕

従来、半導体装置に構或する容量（キャパシタ）の容量
絶縁膜として酸化タンタル膜が用いられている。この酸
化タンタル膜の形或方法のーっとして、原料ガスに有機
物゛であるＴ　ａ　（　Ｏ　Ｃ　２　Ｈ　ｓ）　ｓある
いはＴａ（○ＣＩ｛：＋）ｓと酸素ガスを用い、熱化学
気相成長法により酸化タンタル膜を形或ずる方法がある
。この場合には、Ｔａ　（ＱＣ２Ｈ５），ガスあるいは
Ｔａ　（ＯＣＨ３）Ｓと酸素ガスを反応炉内に導入し、
或長温度２００〜６００’Ｃ、圧力０．１〜５．０Ｔｏ
ｒｒで行うのが適している。

また、他の形成方法として、原料ガスに塩化タンタルと
酸素ガスを用いて、熱あるいは光化学気相成長法により
酸化タンタル膜を形成ずる方法がある。この場合には、
或長温度は熱化学気相成長法では８００〜１０００゜Ｃ
，光化学成長法では２００〜５００゜Ｃ、圧力はどちら
も０．１〜５．ＯＴｏｒｒが適している。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した従来の酸化タンタル膜の形或方法では次のよう
な問題点がある。

前者のＴａ　（ＯＣ２　Ｈｓ）ｓやＴａ（○ＣＨ３）５
などの有機物を原料ガスとした方法では、形成された膜
中に多量の炭素が不純物として取り込まれ、酸化タンタ
ル膜のリーク電流が大きくなり、容量としての信頼生が
悪いという問題がある。

後者の塩化タンタルを原料ガスとした方法のうち、熱化
学気相成長法では或長温度が８００〜１０００゜Ｃの高
温が必要とされ、形成された酸化タンタル膜は戒長中に
多結晶化し、リーク電流が流れやずいという問題点があ
る。また、光化学気相成長法を用いると２００〜５００
゜Ｃの低温で膜形成が可能となり、上述した多結晶化の
問題は起こらないが、形成された膜中に多量の塩素が取
り込まれ、リーク電流が増加し、あるいはスループット
が低くなり量産生の点で問題がある。

更に、上述したいずれの方法においても、形成された酸
化タンタル膜を通常のＤＲＡＭ　（ダイナミック・ラム
）に適用した場合には、次のような問題がある。即ち、
容量絶縁膜としての酸化タンタル膜上には通常ポリシリ
コン膜やタングステンシリザイドなどのシリザイド膜が
プレート電極として用いられる。このようなプレー１・
電極を形成した後に、通常のＤ　Ｒ　Ａ　Ｍプロセスで
ＰＳＧ膜やＢＰＳＧ膜などの層間絶縁膜のりフロー工程
を行った場合、このリフロー工程には９００゜Ｃ程度の
熱処理温度を必要とするため、酸化タンタル膜とプレー
ト電極とが反応してしまう。この結果、第５図に破線で
示すように著しく酸化タンタル膜のリーク電流が増加す
るという問題がある。

本発明はリーク電流を低減した容里絶縁朕の形成方法を
提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、フッ化タンタル（ＴａＦｓ）ガスと酸素を用
いた化学気相成長法により酸化タンタル膜を形成し、か
つこの酸化タンタル膜を酸化処理及び窒化処理している
。

この’！処理に際しては、アンモニアガスを用いた雰囲
気中で、タングステンーハロゲンランプによる高温短時
間加熱で行なうことが好ましい。

〔作用〕

この形成方法では、炭素や塩素等の不純物が少なく、し
かもリフロー熱処理においてプレート電極との反応を抑
制したリーク電流の少ない容量絶縁膜が形成できる。

〔実施例〕

次に、本発明を図面を参照して説明する。

第１図（ａ）乃至（Ｃ）は本発明の容量絶縁膜の形或方
法の第１実施例を形或工程順に示す模式的な断面図であ
る。

先ず、第１図（ａ）のよ・うに、Ｓｉ基板１００上に、
フッ化タンタルガスと酸素を用いた化学気相成長法によ
り、第１図（ｂ）のように、酸化クンタル膜２００を形
成する。

この酸化タンタル膜の形或に際しては、第２図に示す化
学気相或長装置を用いる。即ち、石英製の反応炉１内に
ウェハ２を＠置し、これをヒータ３で加熱し得るように
する。そして、この反応炉１にはアルゴン導入管４，酸
素ガス導入管５，キャリアガスアルゴン導入管６をそれ
ぞれバルブ７８，９を介して接続する。なお、キャリア
ガスアルゴン導入管６には、内部に原料であるフン化タ
ンタル１０を入れてヒータ１１によって加熱される気化
室１２をバルブ１３を介して接続している。

また、真空ポンプ１４を介して排気口１５を接続してい
る。

この装置において、酸素ガス導入管５から酸素ガスを反
応炉１に導入するとともに、アルゴンガス導入管６から
キャリアガスとしてのアルゴンガスを気化室１２に導入
し、ヒータ１１で熱せられて気化されたフン化タンタル
を反応炉１へ導入する。そして、反応炉１内をヒータ３
で加熱することにより、ウエハ２に酸化タンタル膜が形
成される。

ここで、酸化タンタル膜の化学気相或長条件は、フッ化
タンタルの加熱温度を１００〜２００゜Ｃ、反応炉１内
の戒長温度を２００〜６００゜Ｃ、酸素ガス導入管５か
らの酸素流量は０．１〜５．ＯＳＬＭ，キャリアガスで
あるアルゴンガスの流量は１０〜２００ｓｅｃｍ圧力０
．１〜ｌ．ＱＴｏｒｒで行うのが適しているが、他の条
件でもよい。

続いて、第１図（ｂ）のように、前記酸化タンタル膜２
００に対して酸化処理を行う。この工程により、酸化タ
ンタル膜のリーク電流を少なくし、膜質を向上させるこ
とができる。

酸化処理方法として、通常の電気炉あるいはタングステ
ン−ハロゲンランプによる高温短時間熱処理を用いるこ
とができる。通常の電気炉による酸化処理条件として、
温度８００〜１１００゜Ｃ、時間５〜６０分間、酸素あ
るいはＨ２−０２雰囲気中で行うのが適している。また
、タングステンーハロゲンランプによる高温短時間の酸
化処理条件として、温度８００〜１ｌ００゜Ｃ、時間５
〜２００秒間、昇温速度１０〜２００゜Ｃ／秒間、酸素
あるいはＨ２−０２雰囲気中で行うのが適している。

その後、第１図（Ｃ）のように、酸化タンタル膜２００
に対して窒化処理を行う。この窒化処理により、眉間絶
縁膜のりフロー工程等の熱処理においてプレート電極と
の反応による酸化タンタル膜のリーク電流増加の問題を
解決できる。

窒化処理条件は、タングステン−ハロゲンランプによる
高温短時間熱処理を川い、温度８００・〜１２００゜Ｃ
、時間ｌＯ〜６００秒間、昇温速度１０〜２００゜Ｃ／
秒間、アンモニアガスあるいは窒素雰囲気中でガス流量
０．１〜５．ＯＳＬＭで行うのが適しているが、他の条
件でもよい。

以上の方法により形成された酸化タンタル膜の深さ方向
の原子濃度プロファイルを第３図に示す。

図において、横軸は深さ、縦軸は原子濃度を示す。

測定した原子はタンタル、窒素、酸素およびシリコンで
ある。測定法として、ＡＥＳ法、ＥＳＣＡ法、ＳＩＭＳ
法などを併用した。

この結果、前記方法で形成された酸化タンタル膜は、高
温短時間を用いた窒化処理により窒化酸化タンタル（Ｔ
　ａ　ＯＸ　Ｎｙ　）膜となっていることがわかる。

ここで、フッ化タンタルガスと酸素を用いた化学気相成
長法により酸化タンタル膜を形成後、高温かつ短時間の
酸化処理、続いて窒化処理を行う方法を用いてもよい。

この第２実施例の工程は上述した第１実施例と同様に、
先ず、Ｓｉ基板上に酸化タンタル膜を形或ずる。酸化タ
ンタル膜の化学気相或長条件は、フン化クンタルの加熱
温度１４０゜Ｃ，威長温度５００゜Ｃ、キャリアガスで
あるアルゴンの流量は２５ｓｅｃｍ、酸素ガス導入管か
らの酸素流量は１．ＯＳＬＭ、圧力０．５Ｔｏｒｒで行
なう。続いて、タングステンーハロゲンランプアニール
を用いた高温かつ短時間の酸化処理および窒化処理を行
う。酸化処理条件は、温度１０００’Ｃ、時間５０秒間
、昇温速度５０゜Ｃ／秒、酸素雰囲気中が適している。

さらに、酸素を十分排気した後、同一チャンハー内でア
ンモニアあるいは窒素ガスを導入し、窒化処理を行う。

窒化処理条件は、温度１０００゜Ｃ、時間１０秒間、昇
温速度５０゜Ｃ／秒、アンモニアガス流量１．５ＳＬＭ
で行なう。

この形成方法においても、第１図の実施例で形成した容
量タンタル膜と同じ窒化一酸化タンタル（Ｔ　ａ　Ｏｘ
　Ｎｖ　）膜が形成できる。

第４図（ａ）乃至（Ｃ）は上述した酸化タンタル膜をＤ
ＲＡＭ等におけるキャパシタの容量膜に適用する際の形
或方法を工程順に示す断面図であ先ず、第４図（ａ）の
ように、Ｓｉ基板１００上に熱ＳｉＯ２膜１０１を形成
した後、コンタクトホールを開け、リンドーブした容量
ポリシリコン膜１０２を堆積しパターン化する。

次に、第４図（ｂ）のように、原料としてフッ化タンタ
ルガスおよび酸素を用いた化学気相成長法により、全面
に酸化タンタル膜２００を形成し、電気炉による酸化処
理および高温かつ短時間の熱処理による窒化処理を行な
う。ここで、酸化タンタル膜の化学気相威長条件は、前
記第２実施例の熱処理方法と同一条件で行った。また、
酸化タンタル膜のリーク電流を少なくするための通常の
電気炉による酸化処理条件は、温度９００’Ｃ、時間１
０分、Ｈｚ−Ｏｚ雰囲気中で行った。さらに、タングス
テンーハロゲンランプを用いた高温短時間による窒化処
理条件は、温度１１００゜Ｃ、時間１０秒間、厨温速度
５０″Ｃ／秒間、アンモニアガス流！１．５Ｓ＋−Ｍで
行った。

しかる後、第４図（Ｃ）のように、酸化タンク９ １０ ル膜２００の上に、プレート電極としてタングステンシ
リサイド膜１０３を形成し、キャパシタを完或する。

このように形成したキャパシタのリーク電流特性を第５
図に実線で示す。図から明らかなように、本発明により
形成された容量絶縁膜は従来法により形或された容量絶
縁膜と比較してリーク電流を数桁以上も大幅に減少でき
ることが判る。特に、プレート電極を形成した後、８０
０゜Ｃ以上の高温熱処理に対してリーク電流の増加は見
られず、信頼性の高い容量＠縁膜が形成できる。これは
本発明では原料ガスがフフ化タンタルであるため有機化
合物や塩化タンタルを原料とした場合の様に炭素あるい
は塩素が膜中に含まれず、また、本発明で用いた高温か
つ短時間の窒化処理により膜質が向上し、リフロー工程
での熱処理に対してもプレート電極との反応を抑えられ
たためである。

以上、前記実施例では酸化タンタル膜を容量ポリシリコ
ン膜上に形成する方法について説明したが、ポリシリコ
ン以外にＳｉ基板上、他の半導体基板上、タングステン
シリサイド膜などのシリナイド膜上、ポリシリコンとシ
リザイド膜を積層にしたポリサイド膜上、窒化チタン膜
などの窒化金属膜上あるいはタングステンなどの高融点
金属膜上にも本発明は有効である。

また、実施例では容量ポリシリコン膜上に酸化タンタル
膜を形成する方法を説明したが、Ｓｉｎ．やＳｉ３Ｎ４
など他の絶縁膜上に形成した場合、例えば酸化タンタル
Ｉｌｌ／ＳｉＯ２、酸化タンタル膜／Ｓｉ３Ｎ４などの
積層膜の場合にも本発明を用いることができる。

更に、実施例ではプレート電極としてタングステンシリ
サイド膜について説明したが、それ以外にタングステン
シリサイド膜以外のシリサイド膜、ポリシリコン膜、ポ
リシリコンとシリサイト膜を積層にしたボリザイド膜、
窒化チタン膜などの窒化金属膜、タングステンなどの高
融点金属膜あるいはそれらの積層膜にも本発明は有効で
ある。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、フン化タンクルｌ１ ｌ２ ガスと酸素を用いた化学気相或長法により酸化タンタル
膜を形成し、かつこの酸化タンタル膜を酸化処理及び窒
化処理しているので、炭素や塩素等の不純物が少なく、
しかもリフローエ程熱処理に対してプレート電極との反
応を抑制し、リーク電流の少ない良質な容量絶縁膜を形
或できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）乃至（Ｃ）は本発明の第１実施例を形或工
程順に示す模式的な断面図、第２図は第１実施例におけ
る酸化タンタル膜を形或するための装置の構或図、第３
図は形成された容量絶縁膜の深さ方向の原子濃度プロフ
ァイル、第４図（ａ）乃至（ｃ）は本発明をキャパシタ
の容量絶縁膜に適用する形成方法を工程順に示す断面図
、第５図は従来方法及び本発明方法でそれぞれ形成した
容量絶縁膜のリーク特性を示す図である。 １・・・反応炉、２・・・ウェハ、３・・・ヒータ、４
・・・アルゴン導入管、５・・・酸素ガス導入管、６・
・・アルゴンガス導入管、７，８．９・・・バルブ、１
０・・・フン化クンタル、１１・・・ヒータ、１ バルブ、１４・・・真空ポンプ、 １００・・・シリコン基板、１０ １０２・・・ポリシリコン膜、１ ２００・・・酸化タンタル膜。 ？・・気化室、１３・・・ ５・・・排気口、 ・・・ＳｉＯ■膜、 ３・・・プレート電極、 １３ １４ シ宋ざ 第５ 図 ○ １　　　２　　　３　　　４ ”ｔ　界独Ｌ　（　Ｍ　Ｖ／ｃｒｎ　）第４ 図 １００

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体装置に構成される容量の一部を構成する容量
   絶縁膜を、フッ化タンタルガスと酸素を用いた化学気相
   成長法により酸化タンタル膜を形成する工程と、この酸
   化タンタル膜を酸化処理及び窒化処理する工程とを含む
   ことを特徴とする容量絶縁膜の形成方法。 ２、窒化処理をアンモニアガスを用いた雰囲気中で、タ
   ングステン−ハロゲンランプによる高温短時間加熱で行
   なう特許請求の範囲第１項記載の容量絶縁膜の形成方法
   。